Geometri spiller en vigtig rolle i, hvordan celler opfører sig, rapporterer forskere

Inspireret af hvordan geometri påvirker fysiske systemer såsom blødt stof, forskere ved University of Pennsylvania har afsløret overraskende indsigt i, hvordan fysikken af ​​molekyler i en celle påvirker, hvordan cellen opfører sig.

"Celler har et skelet ligesom vi har et skelet, " sagde Nathan Bade, en kandidatstuderende ved Institut for Kemi- og Biomolekylær Teknik på School of Engineering and Applied Science, "og, ligesom vores skelet, den er stiv. Vi ønskede at forstå, hvordan det stive skelet ville reagere på geometri."

Forskerne fokuserede på vaskulære glatte muskelceller, som er de typer celler, der udgør en stor del af store blodkar hos pattedyr. Ifølge Bade, videnskabsmænd kan forvente, at cellen forsøger at undgå at bøje. Imidlertid, forskerne fandt ud af, at cellerne på en cylindrisk overflade faktisk danner meget bøjede skeletter. De fandt også ud af, at ved at manipulere cellernes skelet, de kunne rekapitulere alignment-mønsteret af skelettet, som de så in vivo.

"Det mest spændende, vi fandt, er, at geometri virkelig betyder noget, når det kommer til celleadfærd, " sagde Bade. "Jeg tror, ​​det er noget, der er blevet lidt overset i forhold til stivhed og andre vigtige miljøfaktorer."

Forskningen blev ledet af Bade, arbejder under vejledning af Kathleen Stebe, Richer &Elizabeth Goodwin professor ved Institut for Kemi og Biomolekylær Teknik og vicedekan for forskning og innovation; Randall Kamien, Vicki og William Abrams professor i naturvidenskab ved Institut for Fysik og Astronomi på School of Arts and Sciences; og Richard K. Assoian, professor i farmakologi ved Penns Perelman School of Medicine. Deres papir blev udgivet i Videnskabens fremskridt .

"Vi ved allerede, at pattedyrsceller interagerer med grænser, " sagde Stebe. "F.eks. hvis celler dyrkes på overflader med forskellig stivhed, de organiserer sig forskelligt. Det fik os til at blive interesseret i dette spørgsmål om geometri:Kan en celle se formen på dens grænse? Og vi fokuserede vores indledende arbejde på cylindrisk-lignende strukturer, fordi de er så almindelige i biologi."

For at undersøge dette, Bade belagte cylindre med molekyler, der får dem til at klæbe til celler og så og indsamlede derefter information om, hvordan cellerne opførte sig, når de voksede på en buet grænse. Forskerne brugte et kraftigt konfokalt mikroskop, der gav dem tredimensionel information om systemerne.

Forskerne var i stand til at behandle stressfibrene, det aktive cytoskelet i cellerne, så de ville fluorescere. Ved at bruge en laser til at indsamle lys fra meget små dele af en prøve, det konfokale mikroskop eliminerede alt det ude af fokus lys. Dette producerede et billede i høj opløsning fra et smalt plan, som gjorde det muligt for forskerne at se, at populationen af ​​stressfibre, der sad på toppen af ​​cellen, var justeret anderledes end en anden population nedenunder.

De fandt ud af, at cylinderens størrelse påvirkede cellens reaktion:Jo større cylinderen er, hvilket resulterer i en mere plan geometri, jo mindre flugter stressfibrene. Da mindre cylindre har større krumning, stressfibrene orienterede sig stærkere omkring dem.

"En population af stressfibre flugter langs aksen, og den anden vikler sig om cylinderen, " sagde Stebe. "Der er et meget tydeligt mønster; det er ikke subtilt. Så så spurgte vi, hvorfor det her skete."

Brug af et lægemiddel specielt designet til at aktivere Rho i celler og gøre stressfibrene tykkere og potentielt stivere, forskerne satte sig for at se, om denne stigning i stivhed ville afholde stressfibrene fra at vikle sig rundt om cylinderen. Men, til deres overraskelse, forskerne fandt ud af, at denne behandling fuldstændigt eliminerede fibrene langs aksen og gjorde de omviklede fibre tykkere.

"Omorganiseringen er meget slående, sagde Stebe. „Vi tænker på det som cellerne, der laver calculus; cellerne fornemmer og reagerer på den underliggende krumning. Tilsyneladende, krumning er en cue, der spiller en meget stærk rolle både i organiseringen af ​​selve cellen og af mikrostrukturen i cellen. Disse stressfiberpopulationer kan manipuleres ved hjælp af lægemidler, der ændrer stivheden, blandt andet. Og, efter disse manipulationer, stressfibrene opretholder meget stærke justeringer. Dette er ikke det sædvanlige argument for mønsterdannelse i biologi."

For at følge op på disse resultater, holdet udfører yderligere undersøgelser af krumningssignaler og mere komplekse geometrier og grænser.

"Resultaterne fra dette papir er virkelig interessante, " sagde Bade, "men det efterlod et væld af åbne spørgsmål for os. En af dem er virkelig at forstå de mekanistiske detaljer. Hvad der præcist sker med cellen, der får den ene befolkning til at være meget bøjet, og den anden til at være meget lige, er stadig et mysterium for os. Derudover Vi er nu i gang med at lave mere komplekse buede overflader for at se, hvordan cellerne reagerer, når de står over for et meget mere udfordrende krumningsfelt."

Ifølge Bade, denne forskning har frembragt et fundamentalt fund, der kaster lys over, hvordan celler interagerer med deres miljø, hvilket er afgørende for at forstå, hvad celler gør i menneskekroppen.

"Der har været banebrydende arbejde ved University of Pennsylvania med at forstå, hvordan celler mærker stivhed, " sagde Bade, "som er en miljømæssig stimulus, der ikke er et opløseligt kemisk signal. Og det viser sig at være meget vigtigt i kræft og alle mulige sygdomstilstande. Jeg tror, ​​at det er vigtigt at forstå, hvordan celler sanser og reagerer på geometri."

Forskerne har også vist, at på det mest grundlæggende niveau, de kan mønstre cellens indre struktur. Mønstrene i disse strukturer har vigtige implikationer i nedstrøms celleadfærd som migration og spredning. Disse cellers evne til at dele sig og migrere hurtigt kan være påvirket af geometri og krumning.

"Fra evnen til at organisere kommer evnen til at forhøre, " sagde Assoian. "Dette kan være et godt værktøj, der giver os mulighed for at organisere cellen og dens understruktur til andre forhør. Det er også et interessant spørgsmål om, hvis du bygger strukturer op fra celler, giver denne organisering af cellen og dens understrukturer noget nyt respons i ellers identiske celler? Det ville være meget interessant at holde sammen med folk, der tænker på, hvordan man udnytter celler i sårheling, eller cellegrænseinteraktioner for implantater.

"Ud over den nye indsigt i de grundlæggende principper, som celler bruger til at fortolke overfladegeometrier, denne forskning kunne være vidtrækkende med hensyn til at forstå, hvordan glatte muskelceller og deres cytoskeletter bidrager til blodkardannelse under udvikling og måske endda hvordan de ombygger deres kar ved vaskulær sygdom. Og fordi vi finder ud af, at denne reaktion på geometri ikke er begrænset til glatte muskelceller, geometri-sansning kan blive en ny grænse inden for en bred vifte af biologier."

Stebe sagde, "Det er det sjove ved videnskab og teknik:Et lille nyt værktøj kan røre ved alt andet. Og denne opdagelse er en dramatisk omorganisering. Så hvad rører den ellers?"